JPS63500055A

JPS63500055A - 蓄電池の充電状態監視方法

Info

Publication number: JPS63500055A
Application number: JP61502964A
Authority: JP
Inventors: ストフェンズ　ヴィリィ
Original assignee: フオ−ド　モ−タ−　カンパニ−
Priority date: 1985-06-12
Filing date: 1986-05-27
Publication date: 1988-01-07
Also published as: DE3682377D1; EP0225364B1; DE3520985A1; WO1986007502A1; DE3520985C2; FR2583583A1; EP0225364A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】蓄電池の充電状態監視本発明は蓄電池の光電状態を監視するだめの方法および装置に関するものである。本発明は特（て自動車の光電監視に応用可能であって、その分野に関する実施例を以下に述べる。

内燃エンジン駆動式自動車の始動バッテリとしては鉛蓄電池が使用されることが多い。エンジン始動時、エンシンと始動モータが一時的に接続され、始動バッテリから始動モータに電流が供給される。蓄電池は内燃エンシン始動後、内燃エンジンで駆動される発電機または同期発電機によって再充電される。

自動車が停止中、始動蓄電池は、駐車燈や車内の電気時計、その他の監視装置などの低電力消費負荷の電源としても使用される。

短時間に発進、停止を繰り返す逗距離ドライブのみに自動車が使用ちれない限り、同期発電機は動作中、各種負荷の所要電流を完全に元たし、また、再充電により始動中の損失電荷は補償されることが実験例中９０パーセントの場合で証明されている。また、蓄電池は、発電機が突発的に故障した場合でも所定時限だけは内燃エンシンの点火システムを付勢し続ける必要がある。

蓄電池は、ランプ類やフロントガラスのワイパーを駆動するが、さらに必要に応じてブレーキのアンチロック装置や自動速度制御装置（巡行制御装置）などの電気的負荷にも電力を供給することが必要になる。それは、最近の車両ではこれらの装置は徐々に一般化しており、突然故障すると安全性を著しく損なう危険があるからである。

したがって、蓄電池の充電状態を連続的に監視し、蓄電池の充電状態が限界レベルまで低下する以前に十分な余裕を持って運転者に警告することが益々必要になる。

従来から、自動車、特に乗用車では、蓄電池の充電状態を表示する装置を装備したものは皆無である。最も進んだものでも、電圧計で間に合わせる程度で、これでは実際の充電状態に関して限られた情報しか得られない。もちろん、酸の密度を検査することによって蓄電池の充電状態を監視することも可能であるが、定期的にこれを行なうのは面倒なことであシ、あまり実用的価値がない。

理論的には、放電電流または充電電流を測定し、それを時間積分して、その結果を充電器容量と比較することにより、蓄電池の充電状態をめることが可能である。しかし、この種の方法は、充電器の容量差や放電電流強度に対する依存性が障害となって実現困難であろう。

始動操作が行われる度に、始動蓄電池は瞬間的に高放電電流の負荷が掛かり、その間、蓄電池セル内の拡散が酸の消耗に追い付かない。電流の強度が太さいほど蓄電池の寿命切れは早くなって、それの実用可能な容量はより少くなる。一方、蓄電池の放電が断続的であれば、その間にセル内の酸が回復し、再充電が行われて容量が増加する。また、大電流放電によって蓄電池が寿命切れになってしまった後でも、減少した電流はその必要とする拡散量も減少するので、さらにそれを放電させることが可能である。

不発明は、自動車、特に乗用車の始動用蓄電池の充電状態を監視するだめの方法および装置を提供するものでろって、その方法および装置は、広範囲に変動する動作東件下において簡単な手段による充電状態の連続的監視を可能にすること、低価格で実施、実装が可能であること、蓄電池の充電状態が低下した時には、運転者への警告報が与えられ、あるいは、自動的に対応措置が採られるように、適時に指示をなし得ることを特徴とする。

本発明の第一の特徴によれば、ａ）充電状態を表示するためにここに定義した、蓄電池のりラクセーション電圧を示す電圧を測定する段階、ｂ）リラクセーション電圧によって表わされる充電状態を示す基準データを記憶する段階、Ｃ）充電手段および重要な負荷の双方または一方が消勢された時に蓄電池に流れる電流を測定し、リラクセーション電圧測定に続いて電荷の損失または利得を表示するために、該測定電流を積分する段階、ｄ）記憶された基準データと積分結果から連続的に有効残留電荷を算出する段階、以上の段階を含み、蓄電池の充電状態を監視する方法が得られる。

なお、残留電荷算出段階において、その他の蓄電池動作パラメータ、例えば温度などを考慮することが好ましい。

一定時間使用した後、蓄電池を最低放電量に維持しておくと、実質的開路状態で測定した蓄電池の出力電圧は間もなく定常状態値に近付くが、以降においてこの値をリラクセーション電圧（ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　）と呼ぶことにする。

リラクセーション電圧は、残留電荷の表示として信頼し得ることが矧られており、許容範囲内では蓄電池使用年数によって変化することがない。蓄電池かりラクセーション以前に放電した場合は、出力電圧は最初に上昇し、その後、定常状態値に漸近的に接近する。

逆に、リラクセーション以前に充電されると、出力電圧はりラクセーション電圧よ）高い電圧から定常値へ向って下降するが、これはより大きい時定数で行われる。また、蓄電池を使用しなければ、放電後は５時間、充電後は約１０時間経過するまで定常状態に達しない。しかし、蓄電池から小電流を流した場合にはりラクセーション時間はがなり減少する。

本発明は、リラクセーション電圧を定期的に演１］定または算出することにより、蓄電池の使用電荷量と比較する対象としての基準値が侍られること全前提としている。放電効果が電流強度に依存すること等の原因で生じる累積誤差の影響により、電流自体の積分は信頼できない。しかし、記憶された基準値を定期的に更新しておぎ、前回算出された残留電荷から蓄電池の使用電荷の計算値を指し引くことにより、充電状態に関する連続指示精度が改善され、積分時の累積誤差は、毎回のりラクセーション電圧の直接計測によって自動的に補正される。

本発明の第２の特徴によれば、ａ）エンシン停止中で、かつ、蓄電池からの放電電流を無視し得る時の蓄電池の開路電圧を測定し、測定電圧からりラクセーション電圧を計算し、リラクセーション電圧の計算結果と完全充電済み蓄電池のりラクセーション電圧との差から公称残留蓄電池容量を評価する段階、ｂ）蓄電池からの放電電荷を決定するため、自動車エンジンの動作中に蓄電池を流れる電流を連続的に計測および時間積分する段階、Ｃ）蓄電池内の有効残留電荷を連続的にめるため、前回のエンジン停止時の公称蓄電池容量の計算結果から、エンジン稼働時の放電電荷を差し引く段階、上記の段階を含む、自動車用蓄電池の充電状態監視方法が得られる。

本発明の方法を自動車に通用する場合、エンジンのスイッチを一定時間オフ状態にする度に容量計算の補正が繰り返され、放電電流とはほとんど無関係に、信頼し得る実際の充電状態指示が得られ、そして、所定の最低充電状態が検知された時に、その指示値を利用することによって警報信号発生が可能になる。

始動蓄電池の温度を連続的に計則し、それを公称蓄電池容量に対する補正値として充電状態検出値に含めることが好ましい。このようにすｎば、充電状態監視中に誤差範囲が逐次制限され、周囲温度の変化による影響を最小に保つことができる。

本発明の、もう一つの特徴によれば、蓄電池の放電電流量依存性を補償するため、電流依存性の臨界電圧は完全充電蓄電池の電圧から誘導することが可能であシ、また、放電電流の計測値および臨界電圧は、定常的に計測てれる蓄電池電圧と比較することができ、それによって警報発生が可能になる。

動作中は所定の周期で定時限の電流計測を行うこと残留電荷の計算値は、警報指示に利用するだけでなく、次回のエンジン動作時の充電周期や充電率を決定するためにも利用される。

本発明の方法においては長い動作期間にわたって、データ、比較値、積分値を記憶しておくことが必要であるので、ディジタル技術を利用した構成に適しており、マイクロプロセッサで制御することが好ましい。

この機能専用のマイクロプロセッサを使用することも可能であるが、エンジン制御またはブレーキ制御など、その他の機能を果たすマイクロプロセッサを利用しても良い。

本発明はまた、請求範囲記載のように、上記方法全実行するだめの装置を提供する。

以下に付図全参照しながら実施例に基づいて発明り詳細を述べる。付図において、第１図は本発明の方法を実施するための装置のブロック回路図、第２図は蓄電池からの供給電流量の関数として、鉛苔電池の無負荷電圧を示すグラフである。

始動蓄電池（図では省略）の充電状態を計測、監視するための初期値は、蓄電池電圧ＵＢＡＴと、蓄電池電流ＩＢＡＴ　（放電中はプラス、充電中はマイナス）と、蓄電池温度θ（実用上は、はぼ周囲温度に等しい）である。

第１図において、蓄電池電圧、蓄電池電流、蓄電池温度はそれぞれ参照番号１．２．３によって示されており、上記値ＵＢＡＴおよび”ＢＡＴは測定装置類に記録され、アナログまたはディジタルの電気信号に変換される・これらの信号は、タイミング装置すなわちタイミングパルス発生器４による設定間隔、例えば１秒間隔で、それぞれのスイッチング装置５．６．７を経由して蓄電池の光電状態監視用電子装置の各要素に入力される。

蓄電池電流ＩＢＡＴＫ相当する電流信号■は、増幅器８で増幅された後、下記の式に従って積分器９において時間積分される。

ｏ＝ｆ工・ｄｔ　（式１）ここで得られた電荷は計算回路１０に供給され、そこで下記の式に従って、総電荷に対する百分比ＬＺとして充電状態が計算される。

ここで、ＫＢは蓄電池容量、Ｑは極性に応じて放電または充電による総電荷を示し、いずれもアンペア時で表わされる。ぞして、Δにθは以下に説明するような温度依存性の係数である。

充電状態が臨界値壕で降下すると、計算回路１ｏがら警報装置へ信号が供給され、例えば警報ランプ、警報音など適切な手段により、充電状態を運転者に知らせる。あるいは、計算回路１ｏからの出力を、自動車の電子負荷類、再充電周期、充電率のいずれかまたは全てに自動結合することも可能である。

一つの可能な対策として、まず、電圧調整によって再充電率を増加させることで過負荷補償全行い、蓄電池電荷が減少し続けた場合には、自動車の連続安全運転に不可欠な回路類に十分な電荷を温存するために、設定優先順位に従って順番に負荷を消勢して行くことができる。

電圧調整制御は、残留電荷が過度に低下した時のみに実行するのではなく、残留電荷が現在レベルを越えた時に発電機駆動を切り離して発電機によるエンシン負荷を減らすために利用することも可能である。そうすれば、自動車の電流需要が蓄電池の蓄積電荷だけで充足される場合に適時、エンシン負荷を切り離すことによって運転効率を増すことができる。

蓄電池電圧ＵＢＡＴに基づいて発生する電圧信号Ｕは、蓄電池状態監視ておいて二つの用途に使用される。まず第一に、残留電荷が電流依存性臨界電圧Ｕ　以下にｒなった時に警報装置１１において信号を起動するために使用される。この臨界値Ｕ８ｒは、与えられた初期電圧Ｕ。と、電流信号工と、定数Ｋ。を用いて下記の式に従って、臨界電圧計算回路１２において計算される。

そして、この値は減算回路１３において電圧信号Ｕから差し引かれる。その差分は警報回路１１に入力され、所定下限値になり次第、計算回路１０による充電状態検出値とは無関係に警報回路が起動される。　４電圧値号Ｕはまた、容量計算装置１５に接続された静止電圧記録装置１４にも供給される。静止電圧記録装置１４は、蓄電池を流れる電流が下限値を越えないか全く流れないことを確認して作動する。このような状態が長時間、例えば最低１時間継、読し７だとすれば、その時点で計測された電圧ＵＲＬは、タイミングパルス発生器４からの信号による制御に基づいて容量計算装置１５に供給される。装置１５ンておいては、リラクセーション電圧の予測が行われ、もし、リラクセーションまでに時間的余裕があれば、これが定常電圧値となる。予測りラクセーション電圧は、理論的な蓄電池容量の評価を可能にするものであって、充電状態計算用の係数ＫＢとして計算装置１０に通される。

定常状態に達するまでの所要時間は、蓄電池から全く放電しないよりも、最低電流全放電したほうが著しく短くなるので、リラクセーション電圧の測定、予測を容易にするために、このような最低電流を放電させることか好ましい。リラクセーション電圧の予測は必すしも単一の測定値に基づく必要はなく、静止電圧（ｒｅｓｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　）の時間的変化をグラフにプロットし、既知の残留電荷を持つ蓄電池に関する校正グラフと上記実測グラフの相関をとることも可能である。

容量計算装置１５において（は、装置１４で検出された静止電圧から理論的蓄電池容量が計算されるが、この計算は、蓄電池充電状態の評価基準と考えられる蓄電池の酸密度と無負荷電圧との間に、蓄電池充電状態の決定のために利用可能な関係が存在すると云う周知の事実に基づいている。この相関関係は第２図に示されている。

まず、完全に充電された蓄電池の静止電圧ＵＲｏについて述べると、蓄電池の容量ＫＢに等しい放電可能最大電荷ＱヨＸまでの範囲では、放電電荷Ｑと無負荷電圧ＵＲの間には、はぼ直線的な関係がある。種々の異なる鉛蓄電池での実験結果によれば、蓄電池の最大放電電荷（ＱＭＡｘ−ＫＢ）に対応する最小静止電圧ＵＲｍ１ｎは、はぼ０．９・ＵＲｏＫ等しい。

第２図に示される直線関係から誘導される次式とυヨ。−ＵＲｍ　ｉｎ−ΔＵＲｍａＸ（式５）を用い、さらに、積分器９から容量計算装置１５に入力された電荷ＱＫ対する適切な変換などの処理後、下記の式から理論的な蓄電池容量を計算することができる。

ここで、ＵＲｏは、蓄電池が完全充電状態のときに静電電圧測定装置１４によって測定され、容量計算装置１５に記憶されている静電電圧である。

弐６に注目すると、理論的な蓄電池容量の計算は、Ｑ＞Ｏ，ＵＲ工＜ＵＲｏの条件でのみ可能であることが明らかである。

少なくとも蓄電池温度が広範囲に変動する状況では、蓄電池の充電状態に対する蓄電池温度θの影響が無視できないので、蓄電池の電圧、電流の推移を検出するだけでは、充電状態の決定には不十分である。したがって為式（１）に関連して前述したように、計算装置１０による充電状態の計算過程において、温度測定装置３から与えられる温度係数にθ全考慮する必要がある。

鉛蓄電池の容量は約Ｄ℃〜４０°Ｇの範囲内で１℃当り１％の割合で変化することが知られている。自動車用蓄電池の場合、公称温度θヨは３０℃に設定されており、蓄電池容量は、３０°Ｃ以上の温度で増加し、３０８Ｃ以下の温度で減少する。

したがって、温度測定トランスデユーサ３から発生する温度信号は、公称温度θ ヨに対応する信号が減算装置で差し引かれた後で、補正係数計算装置１７に供給され、そこで下記の式に従って前述の補正係数△にθが計算される。

△にθ＝にθ・（θ−θＮ）　（弐７）ここで、Ｋｅ＝　０．０１　／’Ｃであって、この値は計算装置１０へ送られる。

本発明において蓄電池電圧、蓄電池電流、蓄電池温度を評価し、蓄電池の充電状態を決定、監視するだめの装置が第１図のブロック回路図に示されているが、当該技術分野の専門家にとって、これを電子回路に読み賛えて把握するのは容易なことである。マイクロプロセッサを用いてアナログ信号処理をディジタル的に実行することが可能でろるので、計測装置類は適切にアナログ／ディジタル変侯器と組み合わせである。８ビツト変換を採用する場合は、分解能が低くなるので、始動電流を電流計算から除外する必要があるかも九れない。始動動作を考慮に入れるときは、平均始動電流全仮想しても良いが、始動動作中の蓄電池の総損失を表わすのに、時間測定だけに頓ることになる。

Ｆｉｇ　、　２　。

国際調査報告ＡＮＮＥＸ　ＴｏｏｒＨＸ　ｌ１ｆｒＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥＰＯＲＴ　０ＮＴｈｅ　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｐａｔｅｎｔ　０ｆｆｉｃｅ　ｉｓ　ｉｎ　ｎｏ　ｗａｙ　１ｉａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅｓａｐａｒｔｉｃｕｌａｒｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｍｅｒｅｌｙ　ｇｉｖｅｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ。

Claims

【特許請求の範囲】

１．蓄電池の充電状態を監視するための方法において、ａ）充電状態を表示するためにここに定義した、蓄電池のリラクセーシヨン電圧を示す電圧を測定する段階、ｂ）リラクセーシヨン電圧によつて表わされる充電状態を示す基準データを記憶する段階、ｃ）充電手段および重要な負荷の双方または一方が消熱された時に蓄電池に流れる電流を測定し、リラクセーシヨン電圧測定に続いて電荷の損失または利得を表示するために、該測定電流を積分する段階、ｄ）記憶された基準データと積分結果から連続的に有効残留電荷を算出する段階、以上の段階を含むことを特徴とする前記方法。
２．請求の範囲第１項において、残留電荷を算出する段階で蓄電池に関するその他のパラメータ、例えば湿度を考慮に入れることを特徴とする前記方法。
３．自動車用蓄電池の充電状態を監視する方法において、ａ）エンジン停止中で、かつ、蓄電池からの放電電流を無視し得る時の蓄電池の開路電圧を測定し、測定電圧からリラクセーシヨン電圧を計算し、リラクセーシヨン電圧の計算結果と完全充電済み蓄電池のリラクセーシヨン電圧との差から公称残留蓄電池容量を評価する段階、ｂ）蓄電池から放電電荷を決定するため、自動車エンジンの動作中に蓄電池を流れる電流を連続的に計測および時間積分する段階、ｃ）蓄電池内の有効残留電荷を連続的に求めるため、前回のエンジン停止時の公称蓄電池容量の計算結果から、エンジン稼働時の放電電荷を差し引く段階、以上の段階を含むことを特徴とする前記方法。
４．請求の範囲第３項において、蓄電池の温度が連続的に測定され、公称蓄電池容量に対する補正値として蓄電池温度が充電状態検出に含まれることを特徴とする前記方法。
５．請求の範囲第２項または第３項記載の方法において、完全充電済み蓄電池の電圧と放電電流の測定値から電流依存性臨界電圧が誘導され、その臨界電圧と速続測定された蓄電池電圧が比較されることにより警報表示が行われることを特徴とする前記方法。
６．請求の範囲第３項ないし第５項のいずれか１に記載の方法において、計算された蓄電池充電状態が、次回のエンジン始動時の再充電周期および充電率を決定するために利用されることを特徴とする前記方法。
７．請求の範囲第１項ないし第８項のいずれか１つに記載の方法を実行するための装置であつて、蓄電池電流（ＩＢＡＴ）および蓄電池電圧（ＵＢＡＴ）を連続測定する測定手段（２、１）、蓄電池からの放電電荷（Ｑ）を求めるため、電流測定手段に接続された積分器（９）、所定期間中の蓄電池からの放電電流がゼロまたはごく僅かであつた場合、その後に生じる静止開路電圧（ＵＲ１）を求めるために、電圧測定手段（１）に接続され、電流測定手段（２）によつて制御可能な装置（１４）、静止電圧（ＵＲ１）と蓄電池からの放電電荷（Ｑ１）から公称蓄電池容量（ＫＢ）を計算する手段（１５）、蓄電池電流（ＩＢＡＴ）が再び流れるときに積分器によつて連続的に決定される放電電荷（Ｑ）と計算された公称蓄電池容量を比較し、充電状態（ＬＺ）を連続的に決定する手段を有する前記装置。
８．請求の範囲第７項記載の装置において、放電電荷（Ｑ）と公称電池容量（ＫＢ）とを比較するための手段（１０）に警報装置（１１）が接続され、蓄電池充電状態が所定レベル以下になつたときに警報装置から警報が発生することを特徴とする前記装置。
９．請求の範囲第７項または第８項において、測定された温度（θ）と所定公称温度（θＮ）との比較に基づいて公称蓄電池容量に対する補正値（Ｋθ）を得るため、蓄電池温度を連続的に測定する装置が含むことを特徴とする前記装置。
１０．請求の範囲第７項ないし第９項のいずれか１つに記載の装置において、放電に従つて下降する蓄電池電圧の最大値であつて、放電電流（Ｉ）に依存する最大電圧（Ｕｇｒ）を連続的に求めるための手段（１２）と、連続測定される蓄電池電圧（Ｕ）と前記電圧（Ｕｇｒ）を比較するための装置を有することを特徴とする前記装置。